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研究生： 王俊仁
論文名稱： 三個CCD攝影機動作擷取系統之實作
指導教授： 何宏發
Ho, Hong-Fa
謝澄漢
Shieh, Cheng-Han
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工業教育學系
Department of Industrial Education
論文出版年： 2002
畢業學年度： 90
語文別： 中文
中文關鍵詞： CCD攝影機 、動作擷取
論文種類： 學術論文
相關次數： 點閱：170  下載：15 
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    • 由於電腦3D 影像技術的快速進步，已可利用電腦來製作出一個可在3 度虛
    擬空間中移動的虛擬人物，然而虛擬人物的動作光靠人工手調來製作如歌手歌
    唱、舞蹈等動作，幾乎是不可行的，因為需花費龐大的時間人力成本，且仍無法
    非常的接近真實人物的動作。若是透過動作擷取系統(Motion Capture System)(或
    稱為動態擷取系統)拍攝真實演員的動作，並將其套用至虛擬人物上，則可以使
    虛擬人物的動作有如真實人體的動作一般的靈活。目前國內已有電腦動畫公司購
    置來製作人物動畫，購買系統所須花費的成本非常高，因此本研究乃發展一套較
    低成本使用三個攝影機與色球辨識的動作擷取系統。
    本研究提出的人體3D 動作擷取方法為在環形黑色的布幕背景中，拍攝演員
    的動作，演員的身上須穿著黑色衣服，在身上的12 個關節點上放上彩色球。用
    3 台CCD 拍攝演員的動作，以解決部份關節點在移動時拍攝不到的問題，並將
    拍攝到的關節點的位置，使用本研究提出的修正曲線與計算方法，計算各關節點
    三度空間中移動的座標，再利用關節點之間的座標關係產生動作擷取檔– CSM
    (Character Studio Motion)格式的檔案，以利在3D 軟體上展示，如3ds max 4 軟體，
    而Character Studio 是專業製作兩足角色動畫的工具軟體，是屬於3ds max 4 的
    Plug-In 軟體。
    本研究已製作出只使用3 台PC 與3 台CCD 攝影機，加上自製軟體，可將
    所拍攝之演員連續動作套用至3ds max 4 軟體的虛擬人物上，做出和演員相同的
    動作。

    Because of aggressive virtual characters progressing of 3D image technology, which
    produce virtual humans, can move in 3D virtual space. But it is impossible to use a
    mouse to control virtual human to sing songs or dance. It costs a lot of time and
    doesn’t look like the real human motion. Using the motion capture system to capture a
    real actor's motion makes a virtual human motion look like a real human motion.
    Now, some computer animation companies have bought the motion capture system to
    produce the human animation. But the cost of such motion capture system is very
    expensive; therefore, we have developed a motion capture system that customers can
    have at low price.
    In this study, the method, which captures the human motion in 3D space, uses black
    fabric to be the background, and the actor has to wear black cloth and then put color
    balls on 12 body joints. Using three CCD cameras to capture an actor’s motion can
    solve the missing joints problem when one camera can’t picture the body motion
    which is partly blocked whiling moving.
    In this study, we have developed the method to recognize the 12 color balls, to
    calculate the 12 joints 3D position data by the pictures which are captured by the three
    CCD cameras, and we have developed the method to calculate the 12 joints 3D
    position data to CSM (Character Studio Motion) format. So we can demonstrate the
    3D virtual human motion on 3D software, such as 3ds max4 software.
    The method uses 3 personal computers and 3 CCD cameras only, the installed 3D
    software, and it combines the pictures on the cameras with virtual humans on the 3D
    software. It imitates the actor’s motion virtually.

    中文摘要........................................................................................................................1 英文摘要........................................................................................................................2 第一章緒論......................................................................................................7 第一節研究背景與動機................................................................................7 第二節研究目的............................................................................................8 第三節研究範圍與限制................................................................................8 第四節研究方法與步驟................................................................................9 第五節重要名詞解釋.................................................................................. 11 第二章文獻探討............................................................................................13 第一節Motion Capture System 感測方式..................................................13 第二節運用二維相片組構三維臉像..........................................................15 第三節從影像序列建構虛擬實境中的人體動作......................................20 第四節利用視訊計算技術來建構虛擬人的HIVE 編解碼......................21 第五節顏色分析觀念，彩色原理..............................................................22 第三章研究方法............................................................................................24 第一節從影像中取得六種顏色色塊..........................................................26 第二節去除雜訊..........................................................................................32 第三節經由色塊分辨演員之關節點..........................................................32 第四節由三台CCD 求得關節點之相對三維座標...................................35 第五節3D 虛擬人物動作之呈現................................................................67 第六節演員連續動作之處理......................................................................68 第七節將關節座標轉換成CSM 格式檔案...............................................69 第四章實驗、結果與討論............................................................................72 第一節顏色色塊辨識的問題......................................................................72 第二節分辨演員關節點之結果與討論......................................................73 第三節取得三維座標之誤差比較..............................................................74 第四節虛擬人物與實際演員動作之比較表..............................................79 第五章軟體說明書........................................................................................86 第六章結論與建議........................................................................................94 第一節研究發現..........................................................................................94 第二節討論..................................................................................................95 第三節結論..................................................................................................97 第四節建議................................................................................................102 參考文獻....................................................................................................................103 4 圖目錄 圖1-1 研究步驟之發展流程圖...................................................................... 11 圖2-1 紅光LED 攝影機................................................................................15 圖2-2 影像拍攝現場示意圖..........................................................................17 圖3-1 本研究的動作擷取系統處理流程圖..................................................25 圖3-2 三原色圖..............................................................................................26 圖3-3 紅色色塊RGB 分佈圖.......................................................................27 圖3-4 綠色色塊RGB 分佈圖.......................................................................28 圖3-5 藍色色塊RGB 分佈圖.......................................................................28 圖3-6 黃色色塊RGB 分佈圖.......................................................................29 圖3-7 分色畫面圖..........................................................................................31 圖3-8 分色畫面圖..........................................................................................31 圖3-9 演員色球擺放位置圖..........................................................................33 圖3-10 場地佈置示意圖..............................................................................35 圖3-11 物體高度與寬度隨距離而變化圖..................................................36 圖3-12 CCD 距離與水平寬度之特性圖....................................................37 圖3-13 CCD 距離與垂直高度之特性圖....................................................38 圖3-14 3D 虛擬人物圖................................................................................67 圖3-15 2D 虛擬人物圖................................................................................68 圖3-16 關節點編號圖..................................................................................69 圖4-1 黃色球分色前之圖片..........................................................................72 圖4-2 黃色球分色後之結果..........................................................................72 圖4-3 真實拍攝圖..........................................................................................74 圖4-4 2D 與3D 模擬圖.................................................................................75 圖4-5 正確色球擺設位置圖..........................................................................75 圖4-6 錯誤色球擺設位置圖..........................................................................76 圖4-7 修正前圖片..........................................................................................77 圖4-8 修正後圖片..........................................................................................77 圖5-1 動態擷取系統主畫面..........................................................................86 圖5-2 影像錄製..............................................................................................87 圖5-3 單一圖片處理圖..................................................................................88 圖5-4 三張圖片處理圖..................................................................................89 圖5-5 影片同步處理圖..................................................................................90 圖5-6 單一影片處理圖..................................................................................91 圖5-7 三部影片處理圖..................................................................................91 圖5-8 秀圖程式畫面圖..................................................................................92 5 圖5-9 2D 展示區畫面圖................................................................................93 圖6-1 關節點編號圖....................................................................................100 6 表目錄 表3-1 物體水平寬度與CCD 拍攝距離之關係表.......................................37 表3-2 物體垂直高度與CCD 拍攝距離之關係表.......................................38 表3-3 當C1 與C2 拍攝到該關節點時之公式圖1 .....................................39 表3-4 當C1 與C3 拍攝到該關節點時之公式圖1 .....................................44 表3-5 當C2 與C3 拍攝到該關節點時之公式圖1 .....................................48 表3-6 當C1 與C2 拍攝到該關節點時之公式圖2 .....................................53 表3-7 當C1 與C3 拍攝到該關節點時之公式圖2 .....................................57 表3-8 當C2 與C3 拍攝到該關節點時之公式圖2 .....................................61 表3-9 關節點公式轉換表..............................................................................70 表4-1 同步錯誤比較表..................................................................................78 表4-2 動作1...................................................................................................79 表4-3 動作1 結果圖......................................................................................80 表4-4 動作2...................................................................................................81 表4-5 動作2 結果圖......................................................................................82 表4-6 動作3...................................................................................................82 表4-7 動作3 結果圖......................................................................................83 表4-8 動作4...................................................................................................84 表4-9 動作4 結果圖......................................................................................85 表6-1 求關節點距離各CCD 之距離...........................................................99 表6-2 計算關節點之三維座標......................................................................99 表6-3 關節點公式轉換表............................................................................101

    1. 丁力群(民87)。利用環場立體成像技術建立以真實影像為基礎之虛擬實境。
    大同工學院電機工程研究所碩士論文。
    2. 李建緯(民88)。平面移動物體追蹤系統之研製。國立交通大學電機與控制工
    程學系碩士論文。
    3. 吳志凌(民84)。虛擬實境系統之三度空間數位手套設計與實作。淡江大學資
    訊工程研究所碩士論文。
    4. 林怡良(民86)。運用虛擬照相機重建三維物體之形狀。國立臺灣大學資訊工
    程學研究所碩士論文。
    5. 林中青(民89)。利用視訊計算技術來建構虛擬人的HIVE 編解碼器。國立清
    華大學電機工程學系碩士論文。
    6. 周宏隆(民85)。虛擬實境中以真人帶領木偶做肢體動作之電腦視覺技術。國
    立交通大學資訊工程研究所碩士論文。
    7. 林春甫(民86)。座標旋轉計算技術之改進。國立交通大學電子工程學系電子
    研究所碩士論文。
    8. 侯君昱(民86)。從影像序列建構虛擬實境中的人體動作。國立臺灣工業技術
    學院電機工程技術研究所碩士論文。
    9. 孫弘(無日期)。Motion Capture System。民90 年7 月30 日，取自：
    http://www.vnclub.org.tw/arion/tutorial/mocap/mocap.html
    10. 陳文志(民89)。影像3D 空間座標定位系統之研發。國立中央大學機械工程
    研究所碩士論文。
    11. 陳人豪(民89)。三度空間掃描人體模型之自動化特徵點辨識。國立清華大學
    工業工程與工程管理所碩士論文。
    12. 郭國唐(民86)。CCD 感測之數位影像處理技術研究。國立交通大學電子工程
    學系電子研究所碩士論文。
    13. 黃加佩(民87)。互動式電腦繪圖與OpenGL 實作。台北市：儒林圖書公司。
    14. 蔡佳靜(民89)。應用三度空間人體計測資料於成依尺碼分類系統之建立。國
    立清華大學碩士論文。
    15. 蔡榮發(民86)。運用二維相片組構三維臉像。國立交通大學資訊管理研究所
    碩士論文。
    16. 謝長其(民87)。攝影機影像校正方法應用於動作分析之研究。國立陽明大學
    醫學工程研究所碩士論文。
    17. 賴尚宏(民77)。動態影像中物體運動參數之估測。國立清華大學碩士論文。

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